Principiul acțiunii cu laser: caracteristici de radiație laser

Primul principiu de acțiune a laserului, care se bazează pe fizica legii lui Planck radiații, în teorie, Einstein în 1917 a fost justificată. El a descris absorbția, spontană și stimulată de radiație electromagnetică folosind coeficienți de probabilitate (coeficienții Einstein).

Trailblazers

Teodor Meyman a fost primul pentru a demonstra principiul acțiunii unui laser cu rubin, bazat pe pomparea optică folosind un rubin sintetic lampă flash, generează radiația coerentă cu o lungime de undă de 694 nm.

În 1960, oamenii de știință iranieni Iavan și Bennett a creat primele lasere cu gaz care utilizează amestecuri de gaze el și Ne într-un raport de 1:10.

In 1962, R. N. Hall face un prim dioda laser din arseniură de galiu (GaAs), care emite , la o lungime de undă de 850 nm. Mai târziu, în același an, Nick Golonyak a dezvoltat primul generator cuantic semiconductor de lumină vizibilă.

Dispozitivul și principiul lasere

Fiecare sistem laser include un mediu activ optic plasat între o pereche de oglinzi paralele și foarte reflectorizante, dintre care unul este translucid și o sursă de energie pentru pomparea. Ca mediu câștig poate acționa ca un solid, lichid sau gaz, care au capacitatea de a amplifica amplitudinea undei luminii care trece prin ea la interior cu radiație de pompare electrice sau optice. Substanța este plasată între o pereche de oglinzi, astfel încât lumina reflectată la ele de fiecare dată când trece prin ea și, după ce a ajuns la o creștere semnificativă, penetrează jumătate oglindă.

mediu duplex

Luați în considerare principiul acțiunii laserului cu un mediu activ al cărui atomi au doar două nivele de energie: E excitat E ₂ și de bază _1. Dacă atomii prin intermediul oricărui mecanism de pompare (optic, curentul de descărcare electrică sau transmitanță bombardament de electroni) sunt incantati de la o stare E _2, în câteva nanosecunde se întorc în poziția de bază, care radiază fotoni de energie hν = E ₂ - E _1. Conform teoriei lui Einstein, emisia este produsă în două moduri diferite: fie că este indusă de un foton, sau apare spontan. În primul caz, emisia stimulată are loc, iar al doilea - spontană. La echilibru termic, probabilitatea de emisie stimulata este mult mai mică decât spontană (1:10 ^33), astfel încât cele mai multe surse de lumină convenționale incoerente și lasing este posibilă în alte decât echilibru termic condiții.

Chiar și cu un foarte puternic sisteme de pompare la nivel de populație poate fi făcută numai egală. Prin urmare, pentru a realiza inversiunea populației sau o altă metodă de pompare optică necesită un nivel de sistem cu patru sau trei.

sistem multi-nivel

Care este principiul laser pe trei niveluri? Iradierea lumina intensa de frecventa ν ₀₂ pompează un mare număr de atomi de la cel mai scăzut nivel de energie E ₀ și E ₂ a feței. tranziție Radiationless cu atomii E ₂ E ₁ stabilește o inversare de populație între E ₁ și E _0, care în practică este posibilă numai atunci când atomii sunt o lungă perioadă de timp într - o stare metastabilă E _1, iar trecerea de la E ₁ E ₂ apare rapid. Principiul de funcționare al unui laser cu trei niveluri este în aceste condiții, astfel încât între ₀ și E E _1, inversiunea populației se realizează și se amplifică energia fotonilor E _{1 0} -R emisie stimulată. nivel extins E ₂ ar putea mări gama de lungimi de undă de absorbție a pompa mai eficient, având ca rezultat creșterea emisiei stimulate.

Trei niveluri de sistem necesită o putere foarte mare de pompare de la nivelul inferior, sunt implicate în generarea, aceasta este o bază. În acest caz, pentru a inversiune populației a avut loc la starea E ₁ să fie pompat mai mult de jumătate din numărul total de atomi. În acest caz, energia este irosit. Puterea pompei poate fi mult redusă dacă nivelul lasing inferior nu este baza, care prevede cel puțin un sistem cu patru nivele.

În funcție de natura substanței active, laserele sunt clasificate în trei categorii de bază, și anume solide, lichide și gaze. Din 1958, când a fost observată prima generație într-un cristal de rubin, oamenii de știință și cercetătorii au studiat o gamă largă de materiale din fiecare categorie.

cu laser solid-state

Operația se bazează pe utilizarea unui mediu activ , care este format prin adăugarea unui metal izolant cristal cu zăbrele de tranziție (Ti ^{+ 3,} Cr ^{+ 3,} V ^{+ 2,} Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^{+ 2,} și așa mai departe. D.) , ioni de pământuri rare (Ce ^+3, Pr ^+3, Nd ^+3, Pm ^+3, Sm ^+2, Eu ^{+ 2 + 3,} Tb ^+3, Dy ^{+3, +3 Ho,} Er ^+3, Yb ⁺³ , și colab.) și actinide , cum ar fi U ^+3. Nivelurile de energie ale ionilor responsabili numai pentru generarea. Proprietățile fizice ale materialului de bază, cum ar fi conductivitatea termică și dilatare termică sunt importante pentru funcționarea eficientă a laserului. Locație zabrele atomilor în jurul unui ion dopat modifică nivelurile de energie. Diferite lungimi de generare de undă în mediul activ sunt atinse prin doparea diferite materiale în același ion.

holmium laser

Un exemplu de un laser în stare solidă este un generator cuantic, în care un atom holmium înlocuiește materialul de bază al rețelei cristaline. Ho: YAG este unul dintre cele mai bune materiale lasing. Principiul de funcționare al laserului holmium este ca granat de ytriu si aluminiu dopat cu ioni de holmiu, pompati optic de lampa flash si emite la o lungime de undă de 2097 nm în domeniul infraroșu este bine absorbită de țesuturi. Utilizați acest laser pentru operații pe articulații, tratamentul dentar, pentru a vaporiza celulele canceroase, rinichi și calculi biliari.

Un generator cuantic semiconductor

lasere cuantice bine sunt ieftine, permit producția de masă și sunt ușor scalabile. Principiul de funcționare al laserului semiconductor bazat pe utilizarea de joncțiune pn-diode, care produce lumina de o anumită lungime de undă de recombinare a purtătorului la o prejudecată pozitivă, cum ar fi LED - uri. LED-uri emit spontan și diode laser - compulsiv. Pentru a îndeplini inversiunea starea populației, curentul de operare ar trebui să depășească un anumit prag. Mediul activ într-o diodă semiconductor are o vedere a zonei de conectare a straturilor bidimensionale.

Principiul de funcționare a acestui tip de laser este că pentru a menține oscilații este necesară nici o oglindă exterioară. Capacitatea reflectorizant, creat datorită a indicelui de refracție straturi și reflexia internă a mediului activ, este suficientă pentru acest scop. Suprafețele de capăt scinda diode care oferă suprafețe reflectorizante paralele.

Compusul format prin materialul semiconductor de același tip este numit un homojunction, stabilit prin conectarea a două diferite - heterojunction.

Semiconductori de p și n tip cu o densitate mare de purtători formează o grupare p-n-joncțiune cu un (≈1 mm) strat foarte subțire epuizat.

cu laser cu gaz

Principiul de funcționare și utilizarea acestui tip de laser face posibilă pentru a crea dispozitive de aproape orice capacitate (de la milliwatts la megawați) și lungimi de undă (de la ultraviolete la infraroșu) și poate funcționa în modurile de impulsuri și continuă. În funcție de natura presei activă, există trei tipuri de lasere cu gaz, și anume atomice, ionice și moleculare.

Cele mai multe lasere gaz pompat prin descărcare electrică. Electronii din tubul de evacuare sunt accelerați de câmpul electric între electrozi. Ei se ciocnesc cu atomi, ioni sau molecule ale unui mediu activ și induce tranziția la niveluri mai mari de energie pentru a realiza o stare de inversare a populației și emisie stimulată.

cu laser molecular

Principiul acțiunii laserului se bazează pe faptul că, spre deosebire de atomii izolați și ionii în lasere atomice și ioni de molecule posedă benzi energetice largi ale nivelurilor de energie discrete. În plus, fiecare nivel de energie de electroni are un număr mare de niveluri de vibrație, iar cei care, la rândul său - câteva rotație.

Energia dintre nivelurile de energie de electroni este în UV și vizibile regiuni ale spectrului, în timp ce între nivelele de vibrație-rotație - în cele mai îndepărtate și în apropierea regiunilor infraroșu. Astfel, majoritatea laserelor moleculare care lucrează într-o regiune sau îndepărtate în infraroșu.

lasere excimer

Excimers sunt molecule, cum ar fi ArF, KrF, XeCl, care sunt împărțite de stat la sol stabil și primul nivel. Principiul funcționării laserului următor. De obicei, numărul în starea fundamentală a moleculelor este mic, astfel încât pomparea directă din starea de sol nu este posibilă. Moleculele formate în prima stare electronic excitat de un compus având halogenuri de mare energie, cu gaze inerte. Inversiunea populației se realizează cu ușurință, deoarece numărul de molecule la un nivel de bază este prea scăzut, în comparație cu excitat. Principiul acțiunii cu laser, pe scurt, este de a trece de la starea electronică excitat legat de o stare disociativa la sol. Populația starea fundamentală este întotdeauna la un nivel scăzut, deoarece în acest moment molecula disociază în atomi.

Principiul aparatelor și lasere constă în aceea că tubul de evacuare este umplut cu un amestec de halogenură (F ₂₎ și gaz rar (Ar). Electronii din ea disocia și ioniza moleculele de halogenură și creează ioni negativi. Ionii pozitivi Ar ⁺ și F negativ ^- reacționează și produc molecule ARF în prima stare excitată asociată tranziției ulterioare la starea de bază și Respingerea generarea de radiație coerentă. cu laser excimer, principiul acțiunii și utilizarea pe care le analizăm acum, ar putea fi utilizate pentru pomparea mediul activ al colorantului.

cu laser lichid

Comparativ cu solide, lichide sunt mai omogene și au o densitate mai mare de atomi activi, în comparație cu gazele. În afară de aceasta, ele nu sunt dificil de a produce, permite disiparea căldurii ușor și poate fi înlocuit cu ușurință. Principiul acțiunii laserului este utilizat ca mediu câștig de colorant organic, cum ar fi DCM (4-dicianometilen-2-metil-6-p- dimethylaminostyryl-4H), rodamina, știrii, LDS, cumarina, stilbene, și altele asemenea. D ., dizolvat într-un solvent adecvat. O soluție a moleculelor de colorant este excitat prin radiație a cărei lungime de undă are un coeficient de absorbție bună. Principiul acțiunii cu laser, pe scurt, este de a genera, la o lungime de undă mai mare, numita fluorescenta. Diferența dintre energia absorbită și fotonii emiși folosite tranzițiile energetice neradiative și încălzește sistemul.

Extins banda fluorescenta laseri cu lichid are o caracteristică unică - Tuning lungime de undă. Principiul de funcționare și utilizarea acestui tip ca un laser acordabile și sursa de lumină coerentă, devine din ce în ce mai importantă în spectroscopie, holografie și în aplicații biomedicale.

Recent, lasere au fost folosite pentru vopsirea pentru separarea izotopilor. În acest caz, laserul excita selectiv una dintre ele, fapt care ia determinat începe o reacție chimică.